Исследование экологического состояния участка реки и анализ русловых переформирований Министерство транспорта РФ Новосибирская государственная академия водного транспорта Кафедра водных изысканий и гидрогеологии по дисциплине «Водные изыскания и исследования» Тема: «Исследование экологического состояния участка реки и анализ русловых переформирований» Студент гр.- Протодьяконова А.В. Работа зачтена: Преподаватель: Шамова В.В. Новосибирск-2010 Содержание Введение Раздел 1. Описание участка Раздел 2. Построение и определение влияния розы ветров на исследуемый участок Раздел 3. Анализ химического состава воды Раздел 4. Построение графика связи уровней воды между гидропостами 4.1 Выбор соответственных точек по графикам колебания уровней воды 4.2 Расчет и анализ скорости добегания 4.3 Построение и анализ кривой связи уровней воды Раздел 5. Построение кривых обеспеченности и выбор проектного уровня Раздел 6. Построение линий свободной поверхности между гидропостами при максимальном и проектном уровнях воды 6.1 Построение линии свободной поверхности при максимальном уровне, определение падения и продольного уклона 6.2 Построение линии свободной поверхности при проектном уровне, определение падения и продольного уклона Раздел 7. Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода на исследуемом участке 7.1 Определение отметок максимального уровня 7.2 Определение отметок проектного уровня по уклону водной поверхности 7.3 Вычисление значений срезок на исследуемом участке 7.4 Определение отметок проектного уровня по значениям срезки, сравнение и анализ результатов 7.5 Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода Раздел 8. Исследование скоростного режима русла 8.1 Определение средней и размывающей скоростей течения 8.2 Исследование влияния на речной поток центробежных сил инерции на поворотах русла 8.3 Исследование влияния на речной поток отклоняющей силы вращения Земли 8.4 Определение расхода воды и расхода взвешенных наносов в поперечном сечении русла Раздел 9. Анализ русловых переформирований 9.1 Построение сопоставленных планов 9.2 Построение совмещенных планов 9.3 Анализ русловых деформаций Графическая часть Заключение Использованная литература Введение Водные изыскания, выполняемые в связи со строительством гидротехнических сооружений на водоемах, носят название гидротехнических изысканий. В зависимости от целей гидротехнического строительства они подразделяются на воднотранспортные, водно-энергетические, лесосплавные, мелиоративные и др. Для производства изысканий технические участки имеют в своем составе специализированные и русловые изыскательные партии. В реке большое число элементов находится во взаимодействии и составляет сложную систему. Если рассматривать любой водоток, даже на участке небольшой протяженности, длина которого может составлять от нескольких сот метров до нескольких километров, можно утверждать, что один участок не похож на другой, русло существенно меняется: изменяется глубина, ширина, средние скорости течения и скоростная структура потока в целом, состав донных отложений, тип берегов и т.д. Это разнообразие физической среды обуславливает разнообразие флоры и фауны. В результате вмешательства человека, особенно когда результаты его носят глобальный в масштабах реки характер, происходит разрыв природного экологического цикла. Некоторые виды растений и организмов полностью исчезают или быстро уничтожаются. Последнее относится и к берегам рек, которые играют немаловажную роль в речной экосистеме, причем если глубины водного потока значительны, береговая среда играет первостепенную роль как зона перехода от водной среды к береговой. В курсовой работе предлагается сделать анализ русловых деформаций по сопоставленным и совмещенным планам, построить продольный профиль по оси судового хода, исследовать скоростной режим участка съемки и дать анализ экологического состояния рассматриваемого участка реки с учетом влияния господствующих ветров. Раздел 1. Описание участка 1) Название участка – р. Вилюй, 1064-1073 км от устья Название переката – Балыктахский 2) Наличие островов – острова отсутствуют Наличие осередков (длина и максимальная ширина) - длина осередка – 0, 375 км, ширина осередка – 0,05 км 3) Коэффициент извилистости: Коэффициент разветвленности: , где длина рукавов и проток; L- длина судового хода. 4) Гарантированная глубина: 5) Минимальная и максимальная ширина русла между нулевыми изобатами: на 1070,9 км на 1072,8 км 6) Минимальная и максимальная ширина русла между изобатами гарантированной глубины: на 1070,9 км на 1069,9 км 7) Минимальная и максимальная глубины по линии судового хода: на 1064,3 км на 1072,4 км 8) Притоки - на левом берегу на 1071,2 км – руч. Куссугуй-Балыктах, на правом берегу на 1073,1 км – руч.Тетинг-Юрюйе и на 1070,3 км – руч.Улахан-Балыктах. Водовороты – отсутствуют Течения – имеется затяжное течение и свальное течение на 1066,8 км. 9) Затоны, пристани, существующие судоходные прорези и выправительные сооружения отсутствуют. 10) Длина участка: по судовому ходу – 6,75 км (1064-1073 км от устья) 11) Характеристика берегов: Крутизна: крутые берега Растительность: имеются кусты, луга и болота отсутствуют. Состав грунтов: галечные берега 12) Причины образования переката: неравномерное размытие русла, оседание наносов и т. д. 13) Направление течения реки: река течет с запада на восток 14) Наличие пунктов плановой и высотной опорной сети: На левом берегу на 1065,6 и 1068,6 километрах имеются перевальные знаки и на 1066,1 и 1067,6 километрах имеются ходовые знаки. А на правом берегу ходовые знаки имеются на 1064,3 и 1071,3 километрах 15) Населенные пункты и другие объекты отсутствуют Раздел 2. Построение и определение влияния розы ветров на исследуемый участок Для построения розы ветров на исследуемом участке используются из гидрологического ежегодника или водного кадастра по ближайшему гидропосту, где проводились измерения силы ветра на высоте 10 метров анеморумбометром. Приводятся сведения о распределении ветра по направлению и скорости в целом за период, свободный ото льда. Таблица составлена по данным ежедневных 8-срочных наблюдений с береговой метеорологической площадки. Повторяемость ветра по градациям направления и скорости, выраженная в процентах от числа наблюдений, определялась по формуле ., Где n – число случаев повторяемости ветра данных интервала скорости и румба; - число всех случаев измерений ветра за период. Данные заносятся в таблицу 2.1 Таблица 2.1- Повторяемость направлений ветра по румбам в процентах Скорость ветра С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ 1-3 5,2 2,2 3,5 11,0 3,0 4,1 10,6 3,7 4-5 1,5 0,2 0,8 1,4 0,1 0,5 3,8 0,6 6-7 - - - 0,2 - - 0,3 0,2 8-9 - - - - 0,1 - - - Сумма 6,7 2,4 4,3 12,6 3,2 4,6 14,7 4,5 По данным таблицы 2.1 на миллиметровой бумаге строится роза ветров (см. рисунок 2.1). Для этого по направлениям восьми румбов в масштабе откладываются отрезки пропорциональные значениям повторяемостей ветра для каждого интервала скоростей. Указывается масштаб, который можно принять в 1 см – 2%. Из начала координат откладываются отрезки, соответствующие проценту повторяемости первого интервала скоростей, затем добавляются отрезки для второго интервала и так далее. Концы отрезков каждого интервала скоростей соединяются прямыми линиями. Поля розы ветров окрашиваются в разные цвета. Делаем анализ влияния ветра на экологическую обстановку рассматриваемого участка: 1) Изменение скорости течения реки в результате влияния ветра. Из рисунка видно, что ветер на данном участке реки преобладают юго-восточные и западные ветра. При юго-восточном ветре на 1065-1069 км. течение под влиянием ветра замедляется, так как ветер дует под углом, противоположно направлению течения реки. При западном ветре на 1070-1073 км. течение под влиянием ветра ускоряется , так как направление ветра и направление течения реки совпадают. 2) Влияние населенных пунктов и сельского хозяйства. Влияние юго-восточного ветра: выбросы предприятий в атмосферу под действием ветра попадут в русло реки, следовательно, строительство и эксплуатация промышленных предприятий по правому берегу реки на исследуемом участке запрещены. Влияние западного ветра: на правом берегу нельзя строить промышленные предприятия, заводы, фабрики и производить обработку сельскохозяйственных угодий. Их можно проводить только на левом берегу и только на 1065-1067 км. 3) Деформация берегов При юго-восточном ветре на 1068,5-1071 км размывается левый берег. При западном ветре на 1065-1067 км. размывается левый берег. Раздел 3. Анализ химического состава воды Вода обладает большой реакционной и растворяющей способностью. Природная вода представляет собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии. Состав природных вод постоянно изменяется. Этому способствуют протекающие в них процессы окисления и восстановления, смешение вод различных источников, выпадения содержащихся в них солей в результате изменения температуры и давления, осаждения и взмучивания крупных и тяжелых частиц, обмена ионами между осадками и водой, обогащение подземных вод некоторыми микроэлементами и, наконец, вследствие микробиологических процессов. Анализ химического состава воды производится по данным гидрологических ежегодников или водных кадастров, рассчитанных по методике, принятой в Гидрометслужбе. Общая жесткость и кальций определены трилонометрическим методом. Ионы хлора определены меркуриметрическим методом. Пробы воды при взятии консервировались хлороформом и 25% -ной серной кислотой. Таблица 3.1 – химический состав воды в 1958 г р. Вилюй № Дата взятия пробы Содержание ионов, мг/л 1 09.04 8,13 0,0 45,7 14,7 128,7 60,5 134,6 10,4 0,06 2 15.05 342,0 0,0 25,2 8,6 51,2 33,3 87,9 - - 3 23.05 9930,0 1,2 9,6 3,6 31,7 12.4 3,8 - - 4 05.06 6930,0 5,7 7,8 1,3 18,9 5,6 0,6 4,9 0,15 5 30.06 1420,0 13,2 8,4 2,8 29,3 3.3 2,5 4,2 0,01 6 30.07 514,0 20,3 18,8 4,4 65,3 7,6 8,0 4,8 0,01 7 11.11 77,3 0,0 16,2 5,6 65,9 - 23,2 1,2 0,02 8 30.12 14,6 0,0 26,0 10,7 - - 65,7 1,7 0.02 Таблица 3.2 – химический состав воды в 1969 г р. Вилюй № Дата взятия пробы Содержание ионов, мг/л 1 04.04 132,00 0,0 12,0 4,3 42,7 2,5 8,4 5,0 0,02 2 23.05 796,0 0,0 12,0 7,2 19,5 8,1 8,0 3,0 0,05 3 30.05 2300,0 0,2 13,6 3,5 22,6 3,3 8,0 3,5 0,10 4 20.06 444,0 17,3 15,8 4,0 41,5 6,7 6,7 4,1 0,02 5 06.10 113,0 1,6 12,0 4,5 48,8 7,4 9,4 3,3 0,01 6 13.11 112,0 0,0 12,8 5,1 33,0 6,9 13,6 4,3 0,02 По данным таблицы химического состава воды строятся графики изменения концентрации веществ по времени взятия проб за два года с интервалом в десять лет (см. Рисунки 3.1, 3.2, 3.4). Выполняется анализ графиков, определяются места возможных сбросов сточных вод (промышленные, сельскохозяйственные, бытовые), источники загрязнений (карьеры добычи строительных материалов, от движения судов и др.), определяются места максимальной концентрации загрязнений и делается вывод. Вывод: Наблюдения 1958 года показали, что содержания ионов в реке Вилюй были крайне неравномерны. Наибольшее количество концентрации наблюдалось 9 апреля и составляет 45,7 мг/л., что соответствует пику весеннего половодья, а минимальный уровень наблюдался 5 июня – на спаде половодья, т.е. в период летней межени и составляет 7,8 мг/л. График изменения концентрации в течении года носит переменный характер с повышением концентраций в периоды половодья и паводков и снижением в периоды межени и осеннего ледообразования. В 1969 году максимальная концентрация зафиксирована 20 июня и составляет 15,8 мг/л во время летнего паводка и минимальная концентрация составляет 12,0 мг/л в периоды межени и в конце года. Если сделать анализ за десятилетний период в целом, концентрация уменьшилась. Можно заключить, что, промышленные предприятия либо закрылись, либо построили ( усовершенствовали) очистные сооружения. Концентрация ионов Mg+2 за 1958 – максимальная – 14,7 мг/л в период пика половодья, а именно 9 апреля, а минимальная зафиксирована 6 июня и составляет всего 1 мг/л в период межени. В 1969 году наибольшее количество наблюдалось 23 мая и составляет 7,5 мг/л – на пике половодья, а наименьшее 20 июня и составляет 4,0 мг/л – в период межени. Если следить за тем, как концентрация меняется за десятилетний период, то концентрация Mg+2 снизилась. Причиной снижения стало закрытие предприятий, сбрасывающего загрязняющие вещества в реку. Концентрации , и в 1958 году носят аналогичный характер в течении года: с наибольшими концентрациями в период паводка и минимальными в меженный период. За десятилетие концентрации снизились. Максимальная концентрация наблюдается 5 июня на спаде половодья, а минимальная 30 июня и 30 июля - в периоды межени. За десятилетний период концентрации всех веществ снизились за счет уменьшения сброса загрязняющих веществ, улучшения очистных сооружений и вследствие закрытия предприятий, сбрасывающих загрязняющие вещества в реку. Раздел 4. Построение графика связи уровней воды между гидропостами 4.1 Выбор соответственных точек по графикам колебания уровней воды Для построения графика связи уровней воды между гидропостами используются данные ежедневных уровней воды из гидрологических ежедневников или водных кадастров, по которым строятся графики изменения навигационных уровней воды (см. рис. 4.1) по времени. По вертикальной оси откладываются уровни воды, а по горизонтальной – дни, месяцы навигационного периода. Построение графиков производится на одном формате разным цветом по каждому гидропосту. По графикам в результате анализа хода уровней воды на данном участке определяются соответственные уровни (максимальные пиковые и минимальные), значения которых заносятся в таблицу 4.1. При этом необходимо учитывать расположение гидропоста относительно течения. 4.2 Расчет и анализ скорости добегания С графиков колебания уровней воды по горизонтальной оси снимается время добегания волны t в сутках и часах (см. табл. 4.1), вычисляются скорости добегания по формуле: C = L/t, где L-расстояние между гидропостами, км. L=1149-944=205 км. Расчет выполняется в табличной форме (см. табл. 4.1.). Таблица 4.1 - Расчет скорости добегания №№ точек 1/1’ 2/2’ 3/3’ 4/4’ 5/5’ 6/6’ 7/7’ 8/8’ 9/9’ 10/10’ 11/11’ 12/12’ 13/13’ 14/14’ 15/15’ Верхний г/п № 163 252 262 195 435 220 428 397 510 175 185 160 215 197 215 195 Нижний г/п № 164 685 705 692 806 765 780 640 675 610 645 300 712 554 585 230 t, сут. 4 2 9 8 7 9 9 10 12 11 3 36 33 33 4 t,час 96 48 216 192 168 216 216 240 288 264 72 864 792 792 96 С, км/час 2,14 4,27 0,95 1,07 1,22 0,95 0,95 0,85 0,71 0,78 2,85 0,24 0,26 0,26 2,14 Вывод: Максимальная скорость добегания составила 4,27 км/час при уровне в верхнем г/п 262 см. и в нижнем г/п 705 см, минимальная скорость добегания составила 0,24 км/час при уровне в верхнем г/п 215 см. и в нижнем г/п 712см. Максимальные скорости добегания наблюдаются в период весеннего половодья, а минимальные – в период летне-осенней межени, следовательно, загрязнённая вода добегает быстрее весною и в начале лета, а медленнее уходит в конце лета и начале осени. 4.3 Построение и анализ кривой связи уровней воды График связи уровней воды между гидропостами строится по данным табл. 4.1 на миллиметровой бумаге формата А3 или А4 (см. рис. 4.2). По вертикальной оси откладываются уровни воды по верхнему гидропосту, а по горизонтальной - по нижнему. По центрам тяжести проводится прямая связи уровней воды между гидропостами. Из рисунка 4.2 видно, что разброс точек очень большой, значит русло неустойчивое. 5. Построение кривых обеспеченности и выбор проектного уровня Построение кривых обеспеченности навигационных уровней воды по каждому гидропосту. Исходными материалами служат данные по уровням воды из гидрологических ежегодников. Порядок выполнения расчетов. 1. По таблицам ежедневных уровней воды выбираются значения максимального и минимального уровней (для каждого гидропоста свои значения). 2. Вычисляется амплитуда колебания уровней воды . 3. Амплитуда разбивается на равные интервалы и определяется величина одного интервала , где k – количество интервалов (20 или 30). 4. Интервалы уровней записываются в таблицу 5.1 в убывающем порядке, каждый последующий интервал начинается с еличины на 1 см меньше предыдущего (см. таблицу 5.1 и таблицу 5.2), первый интервал начинается с максимального уровня , а последний заканчивается минимальным уровнем . 5. Для каждого интервала подсчитывается повторяемость в днях и обеспеченность в днях и процентах. За 100% принимается весь навигационный период. 6. По полученным данным строятся кривые обеспеченности (по нижним границам интервалов) для каждого гидропоста (см. рис. 5.1 и рис. 5.2). 7. По заданному проценту обеспеченности, зависящему от категории реки, определяются величины проектных уровней по каждому посту. Расчеты: =581 см =158 см А=581см-158см=423см =423см/20=21,15 см Таблица 5.1-Повторяемость и обеспеченность уровней воды (г/п №163) №№ Интервал (см) Повторяемость Обеспеченность Дни % Дни % 1 581-560 3 2,03 3 2,03 2 559-540 1 0,68 4 2,70 3 539-520 1 0,68 5 3,38 4 519-500 3 2,03 8 5,41 5 499-480 2 1,35 10 6,76 6 479-460 - - 10 6,76 7 459-440 1 0,68 11 7,43 8 439-420 7 4,73 18 12,16 9 419-400 6 4,05 24 16,22 10 399-380 6 4,05 30 20,27 11 379-360 1 0,68 31 20,95 12 359-340 2 1,35 33 22,29 13 339-320 1 0,68 34 22,97 14 319-300 3 2,03 37 25 15 299-280 2 1,35 39 26,35 16 279-260 3 2,03 42 28,38 17 259-240 14 9,46 56 37,84 18 239-220 12 8,11 68 45,95 19 219-200 39 26,35 107 72,29 20 199-180 38 25,68 145 97,97 21 179-160 2 1,35 147 99,32 22 159-140 1 0,68 148 100 148 Таблица 5.2-Повторяемость и обеспеченность уровней воды (г/п №164) №№ Интервал (см) Повторяемость Обеспеченность Дни % Дни % 1 806-780 5 4,24 5 4,24 2 779-750 8 6,78 13 11,02 3 749-720 3 2,54 16 13,56 4 719-690 9 7,63 25 21,19 5 689-660 6 5,08 31 26,27 6 659-630 11 9,32 42 35,59 7 629-600 6 5,08 48 40,68 8 599-570 2 1,69 50 42,37 9 569-540 4 3,38 54 45,76 10 539-510 3 2,54 57 48,31 11 509-480 8 6,78 65 55,08 12 479-450 3 2,54 68 57,63 13 449-420 4 3,38 72 61,02 14 419-390 2 1,69 74 62,71 15 389-360 5 4,24 79 66,95 16 359-330 3 2,54 82 69,49 17 329-300 8 6,78 90 76,27 18 299-270 5 4,24 95 80,51 19 269-240 12 10,17 107 90,68 20 239-210 11 9,32 118 100 118 Расчет: =806 см =233 см А=806см-233см=573 см =573см/20=28,65 см 6. Построение линий свободной поверхности между гидропостами при максимальном и проектном уровнях воды 6.1 Построение линии свободной поверхности при максимальном уровне, определение падения и продольного уклона Разность отметок водной поверхности в начале и конце рассматриваемого участка Z н – Z к = Z , называется падение. Если падение Z будет измерено в сантиметрах, а длина участка реки L – в километрах, то отношение величины падения к длине участка даёт осреднённое, на единицу длины, падение Z ср = ( Z н – Z к ) / L , см/км, где: L = l к – l н ; l к ,l н – значение продольной координаты (ось 1 направлена по течению). Если падение и длину выразить в одних единицах длины – в метрах, то отношение даст безразмерную величину, называемую уклоном: I ср = ( Z н – Z к ) / L = Z / L Таблица 6.1 – Расчёт падений и уклонов при максимальном уровне Наименование гидропоста Высота нуля графика гидропоста Расстояние между гидропостами по реке, км Дата Уровень над нулём графика, см Отметка уровня, м Падение Уклон Общее, м Осреднённое, м/км Верхний №163 147,04 205 21.06. 1987 Hmax1 = 581 ZHmax1 = 152,85 ZHmax= + 15 ,07 Zср = 0,074 I=0,000074 Нижний №164 129,72 205 Hmax2 = 806 ZHmax2 = 137,78 Построение линии свободной поверхности между гидропостами (см. рисунок 6.1) производится по отметкам максимального уровня воды, вычисленным по формуле ZHmax i = z “0” гр .i + ZHmax i , м где: z “0” гр. i – отметка нуля графика гидропоста, м; ZHmax i – максимальный уровень воды, м. Определение падения и продольного уклона в таблице 6.1. Падение при максимальном уровне воды вычисляется по формуле ZHmax = ZHmax 1 – ZHmax 2 , м где:ZHmax 1 – отметка максимального уровня воды в верхнем №163 г/п; ZHmax 2 – отметка максимального уровня воды в нижнем №164 г/п. Осреднённое падение определяется делением общего падения в метрах на расстояние между гидропостами L в километрах Z ср. = ZHmax / L , м/км. Определяется уклон водной поверхности Imax (см. таблица 6.1). 6.2 Построение линии свободной поверхности при проектном уровне, определение падения и продольного уклона Построение линии свободной поверхности при проектном уровне между гидропостами (рисунок 6.1) производится по отметкам проектного уровня воды, вычисленным по формуле ZH пр i = z “0” гр .i + H пр . i , где: Нпр. i – проектный уровень воды по гидропосту, м. Определение падения и продольного уклона производится в таблице 6.2. Падение при проектном уровне воды вычисляется по формуле ZH пр = ZH пр. 1 – ZH пр. 2 , м, где: ZH пр. 1 – отметка проектного уровня воды в верхнем г/п №163; ZH пр. 2 – отметка проектного уровня воды в нижнем г/п №164. Вычисляются осреднённое падение и уклон при проектном уровне z ср. = ZH пр / L , м/км. Таблица 6.2 – Расчёт падений и уклонов при проектном уровне Наименование гидропоста Высота нуля графика гидропоста, м Расстояние между гидропостами по реке, км Уровень над нулем графика, см Отметка уровня, м падение Уклон Общее, м Осредненное, м/км Верхний г/п №163 147,04 205 195 149,02 ZHmax =16,6 Zср = 0,081 I= 0,000081 Нижний г/п №164 129,72 205 270 132,42 Вывод: Уклон при проектном уровне больше уклона при максимальном уровне на 0,000007. 7. Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода на исследуемом участке 7.1 Определение отметок максимального уровня Отметки максимального уровня воды на каждом километре исследуемого участка русла определяются по формуле: ZHmaxn = ZHmax 1 - Zn , где ZHmax 1 – отметка максимального уровня воды на первом гидропосту; Zn = Imax * Ln – падение на каждом километре при максимальном уровне; Ln – расстояние от первого гидропоста до рассматриваемого километра; Imax – уклон при максимальном уровне. 7.2 Определение отметок проектного уровня по уклону водной поверхности Отметки проектного уровня воды на каждом километре исследуемого участка русла определяются по формуле: ZH пр. n = ZH пр. 1 - Zn , гдеZH пр. 1 – отметка проектного уровня воды на первом гидропосту; Zn = I пр * Ln – падение на каждом километре при проектном уровне; Ln – расстояние от первого гидропоста до рассматриваемого километра; I пр – уклон при проектном уровне. 7.3 Вычисление значений срезок на исследуемом участке Вычисляются срезки по г/п для первого поста H 1 = Hmax 1 – H пр 1 ; для второго поста H 2 = Hmax 2 – H пр 2 . Разница между H1 и H2 меньше 5 (1,53 < 5) (см. таблица 7.1), следовательно, срезка в верхнем сечении рассматриваемого участка определяется по формуле HB = ( H1 + H2 ) / 2 HB = (3,83 + 5,36) / 2 = 4,60 м 7.4 Определение отметок проектного уровня по значениям срезки, сравнение и анализ результатов Определение отметок проектного уровня по значениям срезки производится по формуле: ZH пр n = ZHmaxn - Hn , где ZHmaxn – отметка максимального уровня воды каждого километра рассматриваемого участка; Hn – срезка для каждого километра. Расчеты: 1) =76 км; =77км; =78км; =79км; =80км; =81км; 2) =0,000074*76* =5,624 м =0,000074*77* =5,698 м 0,000074*78* =5,772 м =0,000074*79* =5,846 м =0,000074*80* =5,92 м м 3) 4) : Z 0 = 0,000081*76 * 103 = 6,156 м Z 1 = 0,000081 *77 * 103 = 6,237 м Z 2 = 0,000081 *78 * 103 = 6,318 м Z 3 = 0,000081*79 * 103 = 6,399м Z 4 = 0,000081 *80* 103 = 6,48 м Z 5 = 0,000081 *81* 103 = 6,561 м 5) H пр : Zi = Z н - Zi Z 0 = 149,02 – 6,156 = 142,864 м Z 1 = 149,02 –6,237 = 142,783 м Z 2 = 149,02– 6,318 = 142,702 м Z 3 = 149,02 – 6,399 = 142,621 м Z 4 = 149,02 – 6,48 = 142,54 м Z 5 = 149,02 – 6,561 = 142,459 м 6) Таблица 7.1 – Определение отметок проектного уровня № / № Опреде ляемые величины Верхний г/п №163 № № километра Нижний г/п №164 0 1 2 3 4 5 1 ZHmax n 152,85 147,226 147,152 147,078 147,004 146,93 146,856 137,78 2 Hn 3,83 4,362 4,369 4,376 4,383 4,39 4,397 5,36 3 ZHпр. n 149,02 142,864 142,783 142,702 142,621 142,54 142,459 132,42 4 Zn - 4,362 4,369 4,376 4,383 4,39 4,397 - 5 ZHпр. n - 142,864 142,783 142,702 142,621 142,54 142,459 - Вывод: Расчёты таблицы сделаны верно, так как Hn = Zn . 7.5 Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода По отметкам максимального уровня воды проводим линию свободной поверхности для максимального уровня, по отметкам проектного уровня проводим линию свободной поверхности для проектного уровня красного цвета (см. рисунок 7.1). Вычисляем отметки дна на каждом километре рассматриваемого участка по формуле: Zдна =ZH пр n – hn , где ZHпр n – отметка проектного уровня, м; hn – глубина по судовому ходу, м. Отметки проектного уровня для промежуточных точек определяется пропорционально расстояниям. Линия проектного дна проводим красным цветом по отметкам, полученным вычитанием минимальной гарантированной глубины hг из отметок проектного уровня: Z пр дна = ZH пр n – h г Zдна = ZHпр n – hn , 1) Zдна 0 = 142,864 – 2,5 = 140,364 м 2) Zдна 1 = 142,783-3,4=139,383 м 3) Zдна 2 = 142,702-2,82=139,882 м 4) Zдна 3 = 142,621-2,65=139,971 м 5) Zдна 4 = 142,54-2,7=139,84 м 6) Zдна 5 = 142,459-3,4=139,059 м Zпр дна = ZHпр n – hг 1) Zпр дна 0 =142,864 – 1 =141,864 м 2) Zпр дна 1 =142,783– 1 = 141,783м 3) Zпр дна 2 =142,702– 1 = 141,702м 4) Zпр дна 3 =142,621– 1 = 141,621м 5)Zпр дна 4 =142,54 – 1 = 141,54м 6) Zпр дна 5 =142,459 – 1 = 141,459м Вывод: Землечерпательные работы на исследуемом участке не требуются, так как на протяжении участка отметки глубин дна не пересеклись с отметкой проектного дна. 8. Исследование скоростного режима русла 8.1 Определение средней и размывающей скоростей течения В природе наблюдаются два режима течения жидкостей: ламинарный и турбулентный. Режим движения жидкости зависит от скорости течения и глубины потока. Турбулентный режим бывает установившимся и неустановившимся. Движение может быть равномерным и неравномерным. При равномерном движении средняя скорость течения в поперечном сечении русла определяется по формуле Шези Vср. = , где С – коэффициент Шези; R – гидравлический радиус, R = w / , м; I – продольный уклон водной поверхности. Коэффициент Шези зависит от шероховатости русла, глубины потока и от формы живого сечения. Для определения этого коэффициента используем формулу Маннинга: С = R 1/6 / n , В приведенных формулах n- коэффициент шероховатости, определяемый по формуле: n = kd 1/6 , k - коэффциент по В. М. Макееву равен 0,03; d – диаметр частиц донных отложений. R=W/ -гидравлический радиус, м (для равнинных рек гидравлический радиус равен средней глубине hср=W/B); W-площадь поперечного сечения русла, ; -длина смоченного периметра русла, м; В - ширина русла, м; H - глубина потока, м; dср - средний диаметр частиц донных отложений, мм. Рассматривается участок р. Вилюй на 590 км: Вычисляем площадь поперечного сечения русла по формуле W = W 1 + W 2 + W 3 + W 4 , м2 ; Смоченный периметр в поперечном сечении русла определяется: =508 м Теперь необходимо выполнить: 1) Определить коэффициент шероховатости русла; 2) Определить значение гидравлического радиуса; 3) Вычислить коэффициент Шези; 4) Вычислить среднюю скорость течения; 5) Построить поперечное сечение русла. Расчеты: 1) n = 0 , 03 * 0 ,48 1/6 = 0,0264; 2) R = 477,3 / 508 = 0,94 м; 3) С = 0,941/6 / 0,0264 = 37,482 м0,5 /с; 4) V ср. = 37,482 * 0,34 м/с 5) см. рисунок 8.1. Средняя скорость течения V ср на вертикали, отвечающая состоянию предельного равновесия донных частиц, когда отдельные частицы срываются с места и перемещаются, но общего движения наносов ещё нет, называется неразмывающей. Она является предельной скоростью, отвечающей началу сдвига отдельных частиц, т.е. скоростью начала влечения и может быть определена с помощью следующих зависимостей. Формула В. Н. Гончарова, которая по данным исследований ЛИВТа даёт на песчаных перекатах наилучшие результаты V нр = 3,9 * ( d * h / d 95 )0,2 ( d + 0,0014)0,3 , где h – глубина потока, м; d – средний диаметр донных частиц, м; d 95 – диаметр частиц с обеспеченностью 95% по кривой гранулометрического состава, т.е. такой диаметр, который оказывается превзойдённым лишь у 5% частиц, м. V нр = 3,9 * (0,00048*1,91 / 0,00066)0,2 * (0,00048 + 0,0014)0,3 = 0,632 м/с Скорость течения Vр , при которой движение донных наносов становится массовым, называется размывающей. Соотношение между размывающей и неразмывающей скоростями равно 1,30 V р = 1,30 * V нр , м/с, V р = 1,30 * 0,632 = 0,822 м / с Вывод: Средняя скорость меньше размывающей скорости (0,34 м/с < 0,822 м/с), следовательно размыва дна в потоке не будет. 8.2 Исследование влияния на речной поток центробежных сил инерции на поворотах русла При изменении направления потока возникают центробежные силы инерции, направленные по нормали к криволинейным линиям тока. Они приводят к образованию поперечного уклона I поп , направленного от вогнутого берега к выпуклому, и поперечных составляющих скорости, перпендикулярных к основному направлению стока вод. Поперечный уклон определяется по формуле: , где r – гидравлический радиус (снимается с плана), м Превышение уровня воды у вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на ширину русла: H = I поп * B , где B – ширина русла, м H =0,0000098 * 250 = 0,00245 м Для определения величины поперечной составляющей скорости Vпоп. на вертикали, находящейся на повороте русла применяется формула К.И. Россинского и И.А. Кузьмина V поп = [(1,53 * С2 * V ср * h ) / ( g * r )] * ( y 1/ h )0,15 * [( y 1/ h )0,3 – 0,80] , м/с, где y 1 – высота точки над дном, м; h – глубина потока, м. 1)( y 1/ h ) = V0,02 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,02)0,15 * [(0,02)0,3 – 0,80] = -0,017 м/с 2)( y 1/ h ) = V0,2 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,2)0,15 * [(0,2)0,3 – 0,80] = -0,009 м/с 3)( y 1/ h ) = V0,4 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,4)0,15 * [(0,4)0,3 – 0,80] = -0,002 м/с 4)( y 1/ h ) = V0,6 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,6)0,15 * [(0,6)0,3 – 0,80] = 0,003 м/с 5)( y 1/ h ) = V0,8 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,8)0,15 * [(0,8)0,3 – 0,80] = 0,008 м/с 6)( y 1/ h ) = V1,0 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (1,0)0,15